家庭能量管理协同调度模型

1.家庭能量管理的协同调度策略

对于接入分布式能源的家庭能量管理系统，其实现经济运行的方式主要包括四种途径：

①分布式电源发电，减少电网供电比例;

②主动负荷转移，提高分布式电源利用率;

③储能设备充放电，实现削峰填谷;

④多电价模式，提供需求响应条件。

现阶段家庭用户主要采取光伏直接并网发电，然而余电上网的售电收入往往无法抵消夜间产生的市电电费，所以用户会自觉地转移夜间负荷，提高光伏的自发自用比例。但用户无法准确预测光伏发电，且大量刚性负荷缺乏转移能力。因此，合理地加入蓄电池等储能设备实现光伏能量的转移是十分必要的。

从负荷角度考虑，虽然不同家庭的负荷特性各异，但各类负荷比例相对固定，而且由典型的家庭能耗比例可知温控负荷与可控负荷占家庭能耗的80%。因此，通过合理调度温控负荷、确定可控负荷最优工作点以及利用蓄电池转移光伏电能，就可以实现系统的经济运行和光伏发电的最大就地消纳。

在家庭能量管理中，首先，通过历史数据及气象数据，预测下一日的光伏出力和负荷数据，特别是对温控负荷的预测。然后，利用系统的人机交互供能获取用户对空调等温控负荷的需求以及洗衣机等主动可控负荷的定时任务需求。最后，根据光伏出力曲线和排除需调度负荷后的负荷曲线，在满足用户对温度、设备使用需求等舒适度约束条件前提下，求解系统的最大收益目标函数，得到每一调度周期的储能充放电状态以及调度负荷的工作状态，生成最优用电计划。

2.计入蓄电池老化费用的最大收益目标函数

对于实现光伏上网的家庭用户，其能量管理的经济运行体现在通过“自发自用”的电价补贴和“余电上网”的售电收入，因此，宜采用最大收益函数。此外，由于蓄电池的寿命远低于其他设备的设计使用寿命，并且和它的使用方式密切相关，不合理地使用将导致设备频换更换，增加系统成本。因此，在最大收益函数中加入蓄电池老化费用，生成最大收益目标可以进一步优化蓄电池的使用，减少充放电状态频繁切换次数，使协同调度策略更加合理。目标函数定义为

(6-7) 式中：△t为调度周期持续时间;PPV(t)、PB(t)、PG(t)分别为调度周期内光伏、蓄电池、市电的有功功率;CG(t)为上网电价;CPV为光状补贴价格;CB为蓄电池老化费用价格。

其中，PB(t)>0表示蓄电池放电，PB(t)<0表示充电;PG(t)>0表示市电供电，PG(t)<0表示光伏馈电。

当蓄电池放电时，有

(6-8)

式中：i为放电循环的开始时刻;i+n为放电循环的结束时刻;Di+n为此次放电循环中，蓄电池所处放电深度对应的寿命消耗;fB为蓄电池的价格。当蓄电池充电时，认为其老化费用为0。

3.系统运行约束条件

(1)有功功率平衡约束

(6-9)

式中：Pi(t)为调度周期内负荷设备的有功功率，包括调度负荷和不可控负荷的总功率。

(2)蓄电池约束。蓄电池约束是目标函数中蓄电池老化费用的补充，为保证蓄电池的正常工作和光伏发电量的充分利用，还需要满足其最大充放电功率约束、荷电状态约束和每日循环状态约束。

(6-10)

式中：Pdis-max 为最大放电功率，大于0;Pch-max为最大充电功率，小于0;SSOC，max和SSOC,max分别为剩余容量的上下限;SSOC(1)和SSOC(n)分别为每日最初和最后的荷电状态;m为每日蓄电池荷电状态误差。

4.舒适度约束条件

模型的舒适度约束条件是为了保证负荷使用时间的转移不影响用户对家电设备的正常使用。

温控型负荷温度约束

Tdown(t)

式中：Tup(t)和Tdown(t)分别为当前时刻用户对该温控设备的温度需求上下限。

主动型负荷需要在一定工作周期内连续运行，完成用户设定的任务，运行周期约束可表示如下

(6-12)

式中：Xi(t)为主动型负荷的工作状态;ton(Xi)为该设备开始工作的时间;N(xi)为该设备需要持续的调度周期数。